JP6886040B2

JP6886040B2 - 電力供給システム

Info

Publication number: JP6886040B2
Application number: JP2019552926A
Authority: JP
Inventors: 一正松岡; 健太林
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: KR20210020121A; US20210210978A1; JPWO2020105141A1; WO2020105141A1; KR102566563B1

Description

本発明は、直流から交流に電力変換を行う交流出力変換器を複数並列に接続し、負荷に電力を供給する電力供給システムに関する。

直流から交流に電力変換を行う交流出力変換器を複数並列に接続し、負荷に電力を供給する電力供給システムが知られている。

この点で、特開２０１７−５０９３３公報においては、インバータのような交流出力変換器を複数台並列に接続し、共通の負荷に対して並列運転する電力供給システムが開示されている。

特開２０１７−５０９３３号公報

一方で、上記公報における電力供給システムは、それぞれの交流出力変換器から負荷に供給することにより高効率な給電が可能であるが、例えば停電が生じた際には、バイパス回路に切り替える方式となっている。

しかしながら、停電が生じた後、蓄電池から負荷への電力供給能力は、それぞれの交流出力変換器で異なる場合がある。

その場合、一部の交流出力変換器の蓄電池からの給電が継続している場合に、他の交流出力変換器がバイパス回路に切り替えると、逆流してしまう恐れがあるためすべての交流出力変換器の給電が終了した時点でバイパス回路に切り替える必要がある。

しかしながら、一部の交流出力変換器の給電が終了する状態の時まで、他の交流出力変換器の電源が正常に動作しているとは限らず、バイパス回路の切替が難しい状況が生じる可能性がある。

バイパス回路の切替が正常にできていない場合には、復電した場合に正常に電力供給システムが復旧しない可能性がある。

本発明の目的は、上記の課題を解決するためのものであって、停電が生じた場合に安全にバイパス回路に切替可能な電力供給システムを実現する。

ある局面に従う電力供給システムは、交流負荷に電力を供給する並列接続した複数の交流出力変換器を備える。各交流出力変換器は、外部交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換器と、直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷に供給する直流交流変換器と、直流交流変換器と並列に接続され、直流電圧を蓄電する２次電池と、交流負荷と直流交流変換器との間に設けられた第１の切替回路と、直流交流変換器から供給する交流電圧の代わりに、外部交流電圧を直接的に交流負荷に供給するためのバイパス経路と、交流負荷とバイパス経路との間に設けられた第２の切替回路と、停電時および復電時に第１および第２の切替回路を制御する切替制御回路と、外部交流電圧および交流電圧の供給を受けて制御回路の制御電圧を生成するための制御電源回路とを含む。切替制御回路は、外部交流電圧の停電時に２次電池から交流負荷への電圧供給の低下を検知した場合に、第１の切替回路をオフし、外部交流電圧の停電時に複数の交流出力変換器から交流負荷への電圧の供給がすべて停止したことを検知した場合に、第２の切替回路をオンする。

好ましくは、切替制御回路は、通常時は第１の切替回路をオンし、第２の切替回路をオフしている。

好ましくは、各交流出力変換器の切替制御回路は、他の交流出力変換器の切替制御回路と接続され、他の交流出力変換器から交流負荷への電圧の停止信号の入力を受ける。

本発明の電力供給システムは、停電が生じた場合に安全にバイパス回路に切替可能である。

実施形態に基づく無停電電源システム１の構成を説明する図である。実施形態に基づく通常時の無停電電源システム１の電圧供給を説明する図である。従来の停電時の無停電電源システム１の電圧供給を説明する図である。実施形態に従う停電時の無停電電源システム１の電圧供給を説明する図である。実施形態に従う交流出力変換器１０のコントローラ４の停電時の動作について説明するフロー図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。本例においては、一例として電力供給システムとして、無停電電源システム(以降、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）)について説明する。

本実施形態においては、無停電電源システムにおいて、複数の交流出力変換器の並列構成を用いて説明する。

図１は、実施形態に基づく無停電電源システム１の構成を説明する図である。
図１を参照して、無停電電源システム１は、複数（ｎ個）の交流出力変換器１０−１〜１０−ｎを含む。交流出力変換器１０−１〜１０−ｎ（総称して交流出力変換器１０とも称する）は、外部交流電源３と接続されるとともに、共通の負荷２０に対して並列運転する。なお、ｎ個は、特に２個以上であれば供給する負荷に応じて任意の値に設定することが可能である。

以下、各交流出力変換器１０の構成について説明する。
交流出力変換器１０は、外部交流電源３と接続され、外部交流電源３からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ５と、コンバータ５と接続され、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ７と、インバータ７と並列にコンバータ５と接続される蓄電池６とを含む。

交流出力変換器１０は、インバータ７と負荷との間に設けられた切替回路９と、コンバータ５およびインバータ７の供給経路とは別に設けられた交流電圧を供給するバイパス経路と、バイパス経路と負荷との間に設けられた切替回路８と、切替回路８，９を制御するコントローラ４（切替制御回路）と、コントローラ４の駆動電圧を生成する制御電源回路２とをさらに含む。

制御電源回路２は、コンバータ５の入力側およびインバータ７の出力側と接続され、それぞれの交流電圧を検知するとともに、交流電圧の供給を受けてコントローラ４の駆動電圧を生成する。すなわち、制御電源回路２は、外部交流電源３が停電した場合であっても、インバータ７から供給される交流電圧に基づいて駆動電圧を生成することが可能である。また、制御電源回路２は、コンバータ５の入力側およびインバータ７の出力側で検知される交流電圧に従ってコントローラ４に停電あるいはインバータ７からの供給電圧の低下の検知信号を出力する。

外部交流電源３が停電により電力の供給が停止した場合には、蓄電池６から負荷に電力を供給する。

図２は、実施形態に基づく通常時の無停電電源システム１の電圧供給を説明する図である。

図２に示されるように、一例として、２台の交流出力変換器１０−１，１０−２を含む構成について説明する。

外部交流電源３が正常に動作している通常時においては、切替回路９がオンしており、負荷２０とインバータ７とが接続されている状態である。

コンバータ５は、外部交流電源３からの交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ７は、コンバータ５と接続され、直流電圧を交流電圧に変換する。また、蓄電池６は、コンバータ５が変換した直流電圧を蓄電する。

インバータ７から切替回路９を介して負荷２０に電力が供給される。
複数の交流出力変換器１０の並列構成であるため、それぞれの交流出力変換器１０から負荷２０に対して必要な電力が供給される。

図３は、従来の停電時の無停電電源システム１の電圧供給を説明する図である。
図３（Ａ）に示されるように、一例として、２台の交流出力変換器１０−１，１０−２を含む構成について説明する。

外部交流電源３が停電した場合について説明する。この場合には、コンバータ５からの電圧供給が低下するため蓄電池６からインバータ７および切替回路９を介して負荷２０に対する電力供給を継続する。この状態の場合には、切替回路８はオフしている。

動作している通常時においては、切替回路９がオンしており、負荷２０とインバータ７とが接続されている状態である。

次に、例えば、交流出力変換器１０−１の蓄電池６と、交流出力変換器１０−２の蓄電池６の供給能力が異なる場合について説明する。

本例においては、交流出力変換器１０−１の蓄電池６の方が、交流出力変換器１０−２の蓄電池６よりも供給能力が大きい場合について説明する。

この場合には、交流出力変換器１０−２の蓄電池６から負荷２０への供給が停止した場合であっても、交流出力変換器１０−１から負荷２０に対する供給を継続する場合には、逆流が生じる恐れがあるため交流出力変換器１０−２の切替回路８をオンすることができない。

したがって、交流出力変換器１０−１から負荷２０に対する供給が終了するまで交流出力変換器１０−２は、切替回路９から切替回路８への切替指令を待機する必要がある。

この待機の期間に、制御電源回路２は、コントローラ４の駆動電圧を確保し続ける必要がある。しかしながら、待機の期間が長い場合には、制御電源回路２は、コントローラ４の駆動電圧を確保し続けるのが難しくなる可能性がある。仮に、制御電源回路２は、コントローラ４の駆動電圧を確保できなくなった場合には、切替回路９から切替回路８への切替指令を出力することができず、切替回路８はオフした状態を維持することになる。

図３（Ｂ）に示されるように、交流出力変換器１０−１の切替回路９がオンしており、交流出力変換器１０−２の切替回路８がオフしている状態において復電が生じた場合が示されている。

この場合には、交流出力変換器１０−１の切替回路８はオンしているため、バイパス経路を介して負荷２０に対して電力が供給される。

一方、交流出力変換器１０−２の切替回路８はオフしているため、バイパス経路を介して負荷２０に対して電力を供給することができない。

したがって、負荷２０に対しては、交流出力変換器１０−１のみが電力を供給する結果となり、過負荷状態となって交流出力変換器１０−１からの供給も停止することになる。

すなわち、従来の無停電電源システムは、正常な復電処理を実行することができない可能性がある。

図４は、実施形態に従う停電時の無停電電源システム１の電圧供給を説明する図である。

図４（Ａ）に示されるように、一例として、２台の交流出力変換器１０−１，１０−２を含む構成について説明する。

外部交流電源３が停電した場合について説明する。
この場合には、コンバータ５からの電圧供給が低下するため蓄電池６からインバータ７および切替回路９を介して負荷２０に対する電力供給を継続する。この状態の場合には、切替回路８はオフしている。

上記したように、例えば、交流出力変換器１０−１の蓄電池６と、交流出力変換器１０−２の蓄電池６の供給能力が異なる場合について説明する。

上記したように、交流出力変換器１０−２の蓄電池６から負荷２０への供給が停止した場合であっても、交流出力変換器１０−１から負荷２０に対する供給を継続する場合には、逆流が生じる恐れがあるため交流出力変換器１０−２の切替回路８をオンすることができない。

したがって、実施形態に従うコントローラ４は、交流出力変換器１０−２の蓄電池６から負荷２０に対する供給電圧が低下したことを検知した場合には、交流出力変換器１０−２の切替回路９をオフする。また、コントローラ４は、交流出力変換器１０−１のコントローラ４に対して供給電圧が低下して切替回路９をオフしたことを通知する。

インバータ７は、蓄電池６からの直流電圧の供給を受けてコントローラ４の駆動電圧を供給し続ける。

そして、交流出力変換器１０−１から負荷２０に対する供給が終了した場合に、交流出力変換器１０−１，１０−２のコントローラ４は、切替回路８をオンし、切替回路９をオフする状態に設定する。

具体的には、交流出力変換器１０−１のコントローラ４は、交流出力変換器１０−２のコントローラ４に対して供給電圧が低下して切替回路９をオフしたことを通知する。

交流出力変換器１０−２のコントローラ４は、交流出力変換器１０−１のコントローラ４から切替回路９をオフしたことの通知を受けて、すべての交流出力変換器１０が負荷２０への電圧の供給を停止したことを検知して、切替回路８をオンする。

交流出力変換器１０−１のコントローラ４についても同様であり、交流出力変換器１０−１の蓄電池６から負荷２０に対する供給電圧の低下を検知するとともに、交流出力変換器１０−２のコントローラ４から切替回路９をオフしたことの通知を受けて、すべての交流出力変換器１０が負荷２０への電圧の供給を停止したことを検知して、切替回路８をオンする。

図４（Ｂ）に示されるように、交流出力変換器１０−１，１０−２の切替回路８がオンしている状態において復電が生じた場合が示されている。

この場合には、交流出力変換器１０−１，１０−２の切替回路８はオンしているため、バイパス経路を介して負荷２０に対して電力が供給される。

したがって、負荷２０に対して、交流出力変換器１０−１，１０−２から電力が供給される結果となり、過負荷状態となることを抑制して、復帰処理を正常に実行することが可能である。すなわち、実施形態に従う無停電電源システム１は、正常な復電処理を実行することが可能である。

なお、本例においては、２台の交流出力変換器１０について主に説明したが、特にこれに限られず３台以上でも同様に適用可能である。

図５は、実施形態に従う交流出力変換器１０のコントローラ４の停電時の動作について説明するフロー図である。

図５を参照して、コントローラ４は、停電を検知したか否かを判断する（ステップＳ２）。制御電源回路２は、コンバータ５の入力側と接続されるため外部交流電源３の停電を検知する。制御電源回路２は、コントローラ４に停電を通知する。また、制御電源回路２は、インバータ７から出力される交流電圧に基づいてコントローラ４の駆動電圧を生成して出力する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、停電を検知した場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）には、蓄電池放電を開始する（ステップＳ４）。コントローラ４は、制御電源回路２からの停電の通知を受け付けた場合には、コンバータ５の動作を停止する。そして、蓄電池６から負荷２０への供給が開始される。

次に、コントローラ４は、蓄電池からの放電電圧が低下し始めたか否かを判断する（ステップＳ６）。制御電源回路２は、インバータ７の出力側と接続されるためインバータ７からの供給電圧の低下を検知して、コントローラ４に通知する。コントローラ４は、当該通知に従って蓄電池からの放電電圧の低下を判断する。

ステップＳ６において、コントローラ４は、蓄電池からの放電電圧が低下し始めた場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）には、インバータ側の切替回路９をオフする（ステップＳ８）。コントローラ４は、制御電源回路２からの通知に従って切替回路９をオフする。

次に、コントローラ４は、切替回路９をオフしたことを通知する（ステップＳ９）。コントローラ４は、他の交流出力変換器１０のコントローラ４に対して切替回路９をオフしたことを通知する。

次に、コントローラ４は、全装置が停止したか否かを判断する（ステップＳ１０）。コントローラ４は、他の交流出力変換器１０の切替回路９をオフしたことを通知する信号を全装置から受信したか否かを判断する。

ステップＳ１０において、コントローラ４は、全装置が停止したと判断した場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）には、バイパス側の切替回路８をオンする（ステップＳ１２）。

ステップＳ１０において、コントローラ４は、全装置が停止しないと判断した場合（ステップＳ１０においてＮＯ）には、ステップＳ１０の状態を維持する。

そして、処理を終了する（エンド）。
なお、上記の構成においては、制御電源回路２は、コンバータ５の入力側およびインバータ７の出力側と接続され、それぞれの交流電圧を検知して、コントローラ４に停電あるいはインバータ７からの供給電圧の低下を通知する方式について説明した。一方で、制御電源回路２の代わりに別のセンサを用いて電圧を検知してコントローラ４に通知する方式を採用するようにしても良い。あるいは、コントローラ４が直接、コンバータ５の入力側およびインバータ７の出力側と接続され、それぞれの交流電圧を検知して、停電あるいはインバータ７からの供給電圧の低下を検知するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１無停電電源システム、２制御電源回路、３外部交流電源、４コントローラ、５コンバータ、６蓄電池、７インバータ、８，９切替回路、１０交流出力変換器、２０負荷。

Claims

交流負荷に電力を供給する並列接続した複数の交流出力変換器を備え、
各前記交流出力変換器は、
外部交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換器と、
前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流負荷に供給する直流交流変換器と、
前記直流交流変換器と並列に接続され、前記直流電圧を蓄電する２次電池と、
前記交流負荷と前記直流交流変換器との間に設けられた第１の切替回路と、
前記直流交流変換器から供給する前記交流電圧の代わりに、前記外部交流電圧を直接的に前記交流負荷に供給するためのバイパス経路と、
前記交流負荷と前記バイパス経路との間に設けられた第２の切替回路と、
停電時および復電時に前記第１および第２の切替回路を制御する切替制御回路と、
前記外部交流電圧および前記交流電圧の供給を受けて前記切替制御回路の制御電圧を生成するための制御電源回路とを含み、
前記切替制御回路は、
前記外部交流電圧の停電時に前記２次電池から前記交流負荷への電圧供給の低下を検知した場合に、前記第１の切替回路をオフし、
前記外部交流電圧の停電時に前記複数の交流出力変換器から前記交流負荷への電圧の供給がすべて停止したことを検知した場合に、前記第２の切替回路をオンする、電力供給システム。
前記切替制御回路は、通常時は前記第１の切替回路をオンし、前記第２の切替回路をオフしている、請求項１記載の電力供給システム。
各前記交流出力変換器の切替制御回路は、他の前記交流出力変換器の切替制御回路と接続され、前記他の前記交流出力変換器から前記交流負荷への電圧の停止信号の入力を受ける、請求項１記載の電力供給システム。